Лекция (843336), страница 30

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 30)

В таком случае проявляется фермионный характер электронов проводимости или дырок. Для описания распределения носителей заряда в зонах нужно применятьстатистику Ферми-Дирака. Полупроводник начинает вести себя аналогично металлу.Вырожденные полупроводники получают путём сильного легирования собственных полупроводников.Экситон.Дырка, являясь положительно заряженной частицей, может образовывать пары с электроном проводимости – своеобразный аналог водородоподобного атома, который получил название экситон.Экситон (лат.

excito - «возбуждаю») - водородоподобная квазичастица, представляющаясобой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристал7Семестр 4. Лекции 19-20.лу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. Поэтому экситон не участвует вэлектропроводности полупроводников.Хотя экситон состоит из электрона и дырки, его следует считать самостоятельной элементарной (не сводимой) частицей в случаях, когда энергия взаимодействия электрона и дыркиимеет тот же порядок, что и энергия их движения, а энергия взаимодействия между двумя экситонами мала по сравнению с энергией каждого из них.

Экситон можно считать элементарнойквазичастицей в тех явлениях, в которых он выступает как целое образование, не подвергающееся воздействиям, способным его разрушить.Если радиус экситона не превосходит периода кристаллической решётки, то он носит название экситон Френкеля.Если радиус экситона значительно больше периода решётки, то его принято называтьэкситон Ванье - Мотта.В полупроводниках из-за высокой диэлектрической проницаемости, существуют толькоэкситоны Ванье-Мотта.

Высокая диэлектрическая проницаемость приводит к ослаблению электростатического притяжения между электроном и дыркой, что и приводит к большому радиусуэкситона.Экситоны Френкеля применимы, прежде всего, к молекулярным кристаллам.При больших концентрациях носителей заряда в полупроводнике существенным становится экранирование кулоновского взаимодействия и может происходить разрушение экситонов Ванье- Мотта.Экситоны Ванье-Мотта отчётливо проявляются в спектрах поглощения полупроводникова также в спектрах люминесценции, в фотопроводимости, в эффекте Штарка и эффекте Зеемана.Эффект Холла в полупроводниках.Рассмотрим образец полупроводника в виде прямоугольного параллелепипеда длиной l,высотой h и шириной b.

Пусть вдоль стороны l течет ток плотности j , а вдоль стороны b направлен вектор магнитной индукции B . Эффект Холла состоит в появлении разности потенциалов, называемой холловской, между парой граней вдоль стороны h.С плотностью тока j связана дрейфовая скорость движения v p дырок и скорость электронов vnj = −e ⋅ nn vn + e ⋅ n p v p .Величина плотности тока прямо пропорциональна продольной напряжённости электрического поля j = σE .

Т.к. электроны движутся против вектора продольной напряжённости E ,а дырки в том же направлении, то на оба типа носителей действуют магнитные силы Лоренца,BjBhvnFnE⊥FpvpjEblнаправленные одинаково. В результате, дырки и электроны движутся в одинаковом поперечномнаправлении. Найдем плотность поперечного токаj⊥ = −e ⋅ nn vn ⊥ + e ⋅ n p v p ⊥8Семестр 4. Лекции 19-20.Если E⊥ - напряжённость поперечного электрического поля, то поперечные скорости электроFp Fn  нов и дырок vn ⊥ = −µ n  E⊥ +  , v p ⊥ = µ n  E⊥ +  .−e e Т.к.

магнитные силы Лоренца равны соответственно Fn = −e vn × B = −e −µ n E × B = eµ n E × B , Fp = e v p × B = e µ p E × B = eµ p E × B ,) (() (((() )() ))()тоFp Fn j⊥ = e ⋅ nnµ n  E⊥ +  + e ⋅ n p µ p  E⊥ +  ,−e e   eµ n E × B  eµ p E × B  + e ⋅ n p µ p  E⊥ +,j⊥ = e ⋅ nnµ n  E⊥ +e−e j⊥ = e ⋅ nnµ n E⊥ − µ n E × B + e ⋅ n p µ p E⊥ + µ p E × B , j⊥ = e ⋅ ( nnµ n + n p µ p ) E⊥ + ( n p µ p µ p − nn µ n µ n ) E × B .

При равновесном перераспределении зарядов поперечный ток отсутствует j⊥ = 0 , поэтому(()())(((((n p µ 2p − nn µ n2 ) (E⊥ = −E ×B( nnµn + n pµ p ) ())))))n p µ 2p − nnµ 2nn p µ 2p − nn µ n2 jВеличина напряженности E⊥ =E B =B=jB2nn µ n + n p µ pnn µ n + n p µ p σe ( nn µ n + n p µ p )n p µ 2p − nn µ 2nНапряжение Холла между гранямиU H = E⊥ h =n p µ 2p − nn µ n2e ( nn µ n + n p µ p )2jBh .Это выражение принято писать в видеU H = RH jBh ,подразумевая, что постоянная ХоллаRH =n p µ 2p − nn µ 2ne ( nn µ n + n p µ p )2может быть и отрицательной и положительной.Например, для проводника p-типа можно считать, что n p >> nn , поэтому RH =для проводника n-типаnn >> n p, поэтому RH = −1> 0, аen p1< 0.ennПрименение эффекта Холла.Эффект Холла, в некоторых случаях, позволяет определить тип носителей заряда (электронный или дырочный) в металле или полупроводнике, что делает его незаменимым методомисследования свойств полупроводников.На основе эффекта Холла работают датчики Холла - приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля.9Семестр 4.

Лекции 19-20.Датчики Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли ДПР (датчика положения ротора). ДПР реализует обратнуюсвязь по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном двигателе постоянного тока.Также на основе эффекта Холла работают некоторые виды ионных реактивных двигателей.10Семестр 4. Лекции 21-22.Лекции 21 - 22.

Контактные явления в полупроводниках.p-п -переход. Распределение электронов и дырок в p-n-переходе. Ток основных и неосновных носителей через p-n -переход. Вольтамперная характеристика p-n -перехода. Выпрямляющиесвойства p-n -перехода.Полупроводниковый p-n- переход.Полупроводниковым p-n- переходом называют тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов. Обе области полупроводника электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примесиэлектрически нейтральны. Отличия этих областей в том, что p-область содержит свободно перемещающиеся дырки, а n-область свободно перемещающиеся электроны.Концентрации свободных электронов и дырок по обе стороны от границы контакта разные, что приводит к появлениюдиффузии электронов из n-области в p-область, а дырок, наоборот, из p-области в n-область.

Электроны, проникая в p-областьpnрекомбинируют с дырками, а дырки в n-области рекомбинируютс электронами. Каждый из типов носителей переносит соответствующий электрический заряд, что приводит к тому, что вблизиграницы раздела p-область получает избыточный отрицательныйзаряд, а n-область – положительный. Таким образом, на границеpnраздела полупроводников появляется двойной электрическийслой, в котором вектор напряженности E направлен от n- области к p-области.

Поэтому появившееся электрическое полеEпрепятствует движению электронов и дырок.С этим электрическим полем можно связать потенциальную энергию дырки и электронав соответствующих областях. Получается, что дырка для перехода из p -области в n -областьдолжна «забраться» на потенциальный порог высоты W. На аналогичный порог должен «забраться» электрон для перехода из n -области в p -область. Вероятность такого прохода пропорциональна множителю Больцмана:−WP = P0 e kT .Следовательно, рассмотренные переходы основных носителей сформируют силу токаосновных носителей через p-n-переход:−EВpn«Прямое»E−EВpnEWI ОСН = I 0 e kT .Неосновные носители – электроны в p-областии дырки в n-области свободно преодолеваютконтактное поле.

В состоянии равновесия токосновных носителей будет компенсироватьсятоком неосновных носителей. Поэтому«Обратное»WI НЕОСН = I ОСН = I 0 e kT .Если к p-n-переходу приложить внешнюю разность потенциалов U так, что со стороны p – области будет больший потенциал, (такназываемое «прямое» включение p-n-перехода),то внешнее поле EВ ослабит существующеевнутреннее поле E , поэтому ток основных носителей возрастет в соответствии с формулой:I ОСН = I 0 e−(W − eU )kT.1Семестр 4. Лекции 21-22.При включении p-n-перехода в прямом направлении дырки в p-области будут двигаться к границе раздела, и электроны из n-области также будут двигаться к границе раздела. На границеони будут рекомбинировать. Ток на всех участках цепи обеспечивается основными носителями,сам p-n-переход обогащен носителями тока.

Проводимость p-n-перехода будет большой. Токнеосновных носителей при этом практически не изменится, так как он определяется малым числом неосновных носителей в каждой области. Тогда суммарный ток через p-n-переход равенсумме тока основных и неосновных носителей, направленных противоположно друг другу(W −eU )WW−−− eUI = I ОСН − I НЕОСН = I 0 e kT − I 0 e kT = I 0 e kT  e kT − 1или eUI = I НЕОСН  e kT − 1 .Если к p-n-переходу приложить внешнюю разность потенциалов «наоборот» (так называемое «обратное» включение p-n- перехода), то внешнее поле EВувеличит существующее на границе поле. Ток основных носителейIот этого уменьшится.

Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей. При включении p-n- перехода в обратном направлении дырки в p-области будут двигаться от границы раздела, иэлектроны из n-области также будут двигаться от границы раздела.UНа границе раздела областей в итоге не останется основных носителей тока.

Ток на этой границе будет обеспечиваться очень малымчислом неосновных носителей, образовавшихся вблизи тонкого p-n-перехода. Проводимость pn-перехода будет малой.В этом смысле говорят, что, что p-n-переход пропускает ток преимущественно в одномнаправлении. В прямом направлении сила тока основных увеличивается с увеличением напряжения, в обратном направлении сила тока неосновных носителей при небольших значениях напряжения практически не изменяется.Пробой p-n-перехода.Если продолжать увеличение напряжения обратной полярности, то при некотором напряжении UC, называемом напряжением пробоя, произойдет пробой p-n-перехода. Это связано стем, что в закрытом состоянии p-n-перехода почти все приложенное напряжение действует втонком пограничном слое.

Характеристики

Список файлов лекций